探索自驱动液态金属软体动物的可能性

2015年3月，笔者实验室Zhang等［5］，在Advanced Materials上发表了题为“仿生型自驱动液态金属软体动物”的研究论文，迅速被New Scientist、Nature、Science等上百个知名科学杂志或专业网站专题报道，在国际上引起重大反响和热议。

此项研究于世界上首次发现了一种异常独特的现象和机制，即液态金属可在吞食少量物质后以可变形机器形态长时间高速运动（图14.18），实现了无需外部电力的自主运动［5］，从而为研制实用化智能马达、血管机器人、流体泵送系统、柔性执行器乃至更为复杂的液态金属机器人奠定了理论和技术基础。这是继首次发现电控可变形液态金属基本现象之后，该小组的又一突破性发现。这种液态金属机器完全摆脱了庞杂的外部电力系统，从而向研制自主独立的柔性机器迈出了关键的一步。

图14.18　可变形液态金属机器在内含电解液的容器或各种槽道中的自主运动情形［5］

研究揭示［5］，置于电解液中的镓基液态合金可通过“摄入”铝，实现高速、高效的长时运转，一小片铝即可驱动直径约5 mm的液态金属球实现长达1个多小时的持续运动，速度高达5 cm/s。这种柔性机器既可在自由空间运动，又能于各种结构槽道中蜿蜒前行（图14.18）。令人惊讶的是，它还可随沿程槽道的宽窄自行作出变形调整，遇到拐弯时则有所停顿，好似略作思索后继续行进，整个过程仿佛科幻电影中的终结者机器人现身一般。应该说，液态金属机器一系列非同寻常的习性已相当接近一些自然界简单的软体生物，比如能“吃”食物（燃料），自主运动，可变形，具备一定代谢功能（化学反应），因此作者们将其命名为液态金属软体动物。这一人工机器的发明同时也引申出“如何定义生命”的问题。目前，实验室根据上述原理已能制成不同大小的液态金属机器，尺度从数十微米到数厘米，且可在不同电解液环境如碱性、酸性乃至中性溶液中运动。试验和理论分析表明，此种自主型液态金属机器的动力机制来自两方面：一是发生在液态合金、金属燃料及电解液间的Galvanic电池效应会形成内生电场，从而诱发液态金属表面的高表面张力发生不对称响应［5］，继而对易于变形的液态金属机器造成强大推力（图14.19）；与此同时，上述电化学反应过程中产生的氢气也进一步提升了推力。正是这种双重作用产生了超常的液态金属马达行为，这种能量转换机制对于发展特殊形态的能源动力系统也具重要启示意义。(www.xing528.com)

图14.19　自主型液态金属机器所展示的人工软体动物、实物马达及其驱动流体情形［5］

应该说，在迄今所发展的各种柔性机器中，自主型液态金属机器所表现出的变形能力、运转速度与寿命水平等均较为罕见，这为其平添了诸多重要用途。作为具体应用器件之一，Zhang等还特别展示了首个无需外界电力的液态金属泵［5］，通过将其限定于阀座内，可达到自行旋转并泵送流体的目的（图14.19），据此可快速制造出大量微泵，满足诸如药液、阵列式微流体的输运等，成本极低；若将此类柔型泵用作降温，还可实现高度集成化的微芯片冷却器；进一步的应用可发展成血管或腔道机器人甚至是可自我组装的液态金属智能机器等。

总的说来，自驱动液态金属机器的问世引申出了全新的可变形机器概念，将显著提速柔性智能机器的研制进程。当前，全球围绕先进机器人的研发活动正处于如火如荼的阶段，若能充分发挥液态金属所展示出的各种巨大潜力，并结合相关技术，将引发诸多超越传统的机器变革。液态金属自驱动效应和相应机器形态的发现，为今后发展高级的柔性智能机器人技术开辟了全新途径，具有十分重要的科学意义和实际应用价值。